I. ナトリウムイオン電池の概要
ナトリウムイオン電池は、正極と負極の間のナトリウムイオンの移動を利用して充放電を行う電池の一種で、その動作原理はリチウムイオン電池に似ています。ナトリウムイオン電池は主に正極、負極、一つの 電解質、aセパレーター、および集電体から構成されています。充電時には、正極からNa⁺が抽出され、セパレータを通過して負極に埋め込まれ、電子と結合します。放電時には、負極からNa⁺が抽出され、セパレータを通過して正極に埋め込まれ、同時に外部回路を介して負極から正極へ電子が伝達されます。最後に、正極で酸化還元反応が起こり、ナトリウムが豊富な状態に戻ります。
ナトリウムイオン電池の充放電の模式図
II. 3つの技術的ルート
リチウムイオン電池と比較して、ナトリウムイオン電池における最も大きな変化は正極材料にあります。正極材料の性能は、電池のエネルギー密度、安全性、サイクル寿命を決定する重要な要素でもあります。ナトリウムイオンはリチウムイオンよりも質量と半径が大きいため、イオン拡散速度が低くなります。これは、理論容量と電池性能における反応速度論の若干の劣勢に反映されており、これらの問題を解決するには正極材料の飛躍的な進歩が必要です。現在、正極材料の技術的な方向性はまだ決まっていませんが、層状酸化物が開発されています。、 プルシアンブルー 類似品、 そして ポリアニオン化合物は有望な3つのルートが目立つと予想されます。
私II層状酸化物
層状酸化物の一般式はNaxMO2で、Mは遷移金属元素を表し、バナジウム（V）、クロム（Cr）、マンガン（マン）、鉄（鉄）、コバルト（共同）、ニッケル（ニ）、銅（銅）などです。その中でも、資源量の多いマンガン（マン）と鉄（鉄）が最も一般的です。遷移金属酸化物はさらに、層状とトンネルの2種類に分類できます。ナトリウム含有量が低い場合（x<0.5）、トンネル構造が主に存在します。ナトリウム含有量が比較的高い場合は、通常、層状構造が優勢となり、層間にあるNa+がMO2層とナトリウム層が交互に配置された層状構造を形成します。
IV. プルシアンブルー類似体
プルシアンブルー類似体の一般式はNaxMA[MB(CN)6]·zH2Oです。MAとMBは遷移金属元素、主に鉄(鉄)、コバルト(共同)、ニッケル(ニ)、マンガン(マン)などを表します。プルシアンブルー化合物は、独特の開放型骨格と三次元マクロポーラス構造のため、ナトリウムイオンの移動と貯蔵に適しています。利点としては、鉄系化合物はプルシアンブルー マンガン系プルシアンブルーは、原料が豊富で、コストが低く、比容量が高く、レート性能が高く、電気化学的安定性に優れているなどの利点があります。欠点としては、現在の製造方法では主に共沈法を採用しているため、多くの結晶水とFe（CN）6の構造欠陥が頻繁に生成されます。結晶水は結晶中のナトリウム貯蔵サイトとナトリウムイオンの脱離チャネルを占有しやすく、材料中のナトリウムイオン含有量が減少し、ナトリウムイオンの移動速度が低下します。鉄（CN）6の構造欠陥と結晶水は、材料の充放電プロセス中に構造崩壊を引き起こし、材料のサイクル性能に影響を与える可能性があります。
プルシアンブルー化合物の製造プロセスには、主に共沈法と水熱合成法があります。その中でも、共沈法は最も一般的な方法であり、調製プロセスが簡単で、高温処理が不要で、純相製品が得られやすいなどの利点があります。しかし、現在、共沈法には2つの問題が残っています。1つは準備時間が長いことです。2つ目は、出力が低いことです。水熱合成法は共沈法と多くの類似点を持っています。反応時間が短く、材料粒子が均一に分布しているという利点があります。しかし、現在、水熱合成法には3つの欠点があります。第一に、反応プロセスは閉鎖系で行われ、反応プロセスを直接観察することはできません。第二に、高温高圧のステップがあり、製造装置に高い要件があります。第三に、プロセスが煩雑で、工業生産には適していません。
V. 多価イオン化合物
ポリアニオン化合物の一般式はNaxMy[(XOm)n-]zで、Mは価数が変化する金属イオン、XはP、S、Vなどの元素です。ポリアニオン化合物は、優れた安定性、サイクル特性、安全性といった利点を有しますが、比容量が低く、導電性が低いという問題があります。構造の違いにより、オリビン型リン酸塩、ナシコン（ナ+高速イオン伝導体）化合物、リン酸化合物に分類されます。
オリビン構造NaFePO4は、ナトリウムイオン電池の正極材料として、リン酸鉄リチウムの製造方法と類似しています。理論容量は154mAh/g、動作電圧は2.9Vです。しかし、それ自体の電気伝導性は比較的低く、一次元のNa+拡散チャネルしか持たないため、実際の性能に影響を与えています。現在、カーボンコーティングやイオン置換によって電気伝導性が向上しています。オリビン構造化合物は、理論上の比容量が約120mAh/g、動作電圧が約3.3Vの高速イオン伝導体です。3Dフレームワーク構造、高いイオン拡散速度、優れた運動安定性とサイクル安定性を特徴としています。しかし、五価のVが導入されると、毒性が強くなり、人体への大きな脅威となる場合が多く、大規模使用にはある程度の制限があります。
様々なポリアニオン正極材料の結晶構造
